Τομέας Επικοινωνιών, Ηλεκτρονικής και. Συστημάτων Πληροφορικής. Ανάπτυξη Συστήματος Δυναμικής Δειγματοληψίας Ποιότητας Δικτύων Κινητής Τηλεφωνίας

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών Τομέας Επικοινωνιών, Ηλεκτρονικής και Συστημάτων Πληροφορικής Ανάπτυξη Συστήματος Δυναμικής Δειγματοληψίας Ποιότητας Δικτύων Κινητής Τηλεφωνίας Διπλωματική Εργασία Κωτσιανδρής Μάριος Επιβλέπων: Μ.Θεολόγου Καθηγητής ΑΘΗΝΑ, ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ 2011

Σελίδα 2

Σελίδα 3 Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών Τομέας Επικοινωνιών, Ηλεκτρονικής και Συστημάτων Πληροφορικής Ανάπτυξη Συστήματος Δυναμικής Δειγματοληψίας Ποιότητας Δικτύων Κινητής Τηλεφωνίας Διπλωματική Εργασία Κωτσιανδρής Μάριος Επιβλέπων: Μιχαήλ Θεολόγου Καθηγητής Εγκρίθηκε από την τριμελή εξεταστική επιτροπή:... Μιχαήλ Θεολόγου Ευστάθιος Συκάς Στασινόπουλος Γεωργιος Καθηγητής Ε.Μ.Π Καθηγητής Ε.Μ.Π Καθηγητής Ε.Μ.Π

Σελίδα 4. Κωτσιανδρής Μάριος Διπλωματούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών Ε.Μ.Π Copyright Μάριος Π. Κωτσιανδρής, 2011 Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. All rights reserved. Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανομή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή τμήματος αυτής, για εμπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανομή για σκοπό μη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προυπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν μήνυμα. Ερωτήματα που αφορούν τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευθύνονται προς τον συγγραφέα. Οι απόψεις και τα συμπεράσματα που περιέχονται σε αυτό το έγγραφο εκφράζουν τον συγγραφέα και δεν πρέπει να ερμηνευθεί ότι αντιπροσωπεύουν τις επίσημες θέσεις του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.

Σελίδα 5 Αφιερώνεται στην οικογένειά μου Κωτσιανδρής Μάριος

Σελίδα 6 Αut viam inveniam aut faciam.

Σελίδα 7

Σελίδα 8 Πίνακας περιεχομένων Πίνακας περιεχομένων... 8 Περίληψη... 12 Abstract... 13 1. Γενικά για την Ποιότητα Υπηρεσιών... 14 1.1. Εισαγωγή... 14 1.2. Βασικά χαρακτηριστικά της κίνησης... 15 1.3. Ποιότητα Υπηρεσιών Ασύρματων και Κινητών Δικτύων... 16 2. Ποιότητα Υπηρεσιών σε Κυψελωτά Δίκτυα... 18 2.1. Εισαγωγή... 18 2.2. Ορισμός... 18 2.2.1. Γιατί χρειαζόμαστε την ποιότητα υπηρεσιών... 19 2.2.2. Προκλήσεις Ποιότητας Υπηρεσίας... 19 2.2.3. Τι έχει γίνει μέχρι τώρα στον τομέα της Ποιότητας Υπηρεσίας... 20 2.3. Ποιότητα Υπηρεσιών σε Δίκτυο Τρίτης Γενιάς Ανάλυση Μηχανισμών και Χαρακτηριστικών... 21 2.3.2. Απ άκρη σ άκρη υπηρεσίες και υπηρεσία μεταφοράς UMTS... 21 2.3.3. Υπηρεσία Μεταφοράς Ράδιο-Πρόσβασης και Υπηρεσία Μεταφοράς Πυρήνα Δικτύου 22 2.3.4. Radio Bearer Service και RAN Access Bearer Service... 22 2.3.5. Η ραχοκοκαλιά των δικτυακών υπηρεσιών... 22 2.4. Κλάσεις Ποιότητας Υπηρεσίας δικτύου UMTS και Χαρακτηριστικά τους... 22 2.4.1. Κλάση Συνομιλίας... 23 2.4.2. Κλάση Streaming... 24 2.4.3. Διαδραστική Κλάση... 24 2.4.4. Κλάση Υποβάθρου... 24 2.4.5. Ιδιότητες Ποιότητας Υπηρεσίας... 24 2.5. Διαφορετικά Μοντέλα Ποιότητας Υπηρεσίας σε Κυψελωτά Δίκτυα... 25 2.5.1. Ανεκτικό σε Σφάλματα μοντέλο Δυναμικού Καταμερισμού... 26 2.5.2. Μοντέλο Έλεγχου Εισόδου Κλήσεων... 30 2.5.4. Μοντέλο Δυναμικού Καταμερισμού με την χρήση Επαναδιαπραγμάτευσης... 33 2.5.5. Ατομική Ποιότητα Υπηρεσίας για Υπηρεσίες Ομιλίας... 34 2.6. Συνδυασμός Κυψελωτών και Ασύρματων δικτύων για επίτευξη καλύτερης Ποιότητας Υπηρεσίας... 36 2.6.1. Δομή Μοντέλου Ποιότητας Υπηρεσίας Αυστηρής Διασύνδεσης... 37

Σελίδα 9 2.6.2. Χαλαρή Διασύνδεση Κυψελωτού με Ασύρματο Τοπικό Δίκτυο... 38 2.7. Ανάλυση δικτύων 3.5G και 4G.... 40 2.7.1. High Speed Packet Access... 41 2.7.2. 3GPP - Long Term Evolution... 42 2.7.3. LTE Advanced... 48 3. Μηχανισμοί και Παράμετροι Ποιότητας Υπηρεσίας... 49 3.1. Εισαγωγή... 49 3.2. Ταξινόμηση... 50 3.2.1. Επίπεδο Ζεύξης Δεδομένων.... 51 3.8.1. Ομιλία... 61 3.8.2. Βίντεο Τηλεφωνία... 62 3.8.3. Βίντεο Συνδιάσκεψη... 63 3.8.4. Υπηρεσία Μηνυμάτων Πολυμέσων... 64 3.8.5. Εφαρμογές Ροής Πολυμέσων... 64 3.8.6. Λήψη Δεδομένων... 65 3.8.7. Πρόσβαση στο διαδίκτυο και πλοήγηση... 66 3.8.8. Εταιρική Πρόσβαση... 67 3.9. Μέθοδοι Μέτρησης Ποιότητας Υπηρεσίας Ομιλίας... 68 3.9.1. Ληφθείσα Ποιότητα Υπηρεσίας για Ομιλία πάνω από πρωτόκολλο Διαδικτύου. 68 3.9.2. Μέθοδοι Εξέτασης... 68 3.9.3. Προδιαγραφή Δοκιμής σε Επίπεδο Εφαρμογών... 69 4. Σύμφωνα Επιπέδων Εξυπηρέτησης... 75 4.1. Εισαγωγή... 75 4.2. Ορισμός και Γενικές Πληροφορίες... 75 4.2.1. Ιστορία και Εξέλιξη... 76 4.2.2. Νέες Κατευθύνσεις και εφαρμογές... 77 4.2.3. Κοινά Μεγέθη Μέτρησης... 78 4.4. Οντότητες στα Συμφωνητικά Επιπέδου Εξυπηρέτησης... 79 4.4.1. Συστατικά Συμφωνητικών Επιπέδου Υπηρεσιών... 80 4.4.2. Αρχιτεκτονική Υπηρεσιών Ιστού... 84 4.5. Προδιαγραφές Επιπέδων Εξυπηρέτησης... 84 4.5.1. Υπηρεσίες και Παράμετροι... 85 4.6. Σύμφωνα Επιπέδου Εξυπηρέτησης σε Ασύρματα Δίκτυα... 87 4.7. Σύμφωνα Επιπέδου Εξυπηρέτησης και Ποιότητα Υπηρεσίας... 89

Σελίδα 10 5. Εργαλεία Μέτρησης Ποιότητας Υπηρεσίας... 92 5.2. QVoice Symphony... 92 5.3. ΝΕΜΟ Analyze... 95 5.4. Network Analysis NITRO (NAN)... 96 5.5. TEMS Investigation... 96 5.6. XCAL... 98 5.7. LTE Base Station Emulator - LTE BSE (AWT 700A)... 99 5.7.1. Χαρακτηριστικά... 99 5.7.2. Σύνθεση Δοκιμής... 100 5.8. LTE Air Interface Protocol Analyzer LTE Air Sniffer... 100 5.8.1. Χαρακτηριστικά και Πλεονεκτήματα... 101 5.9. RF Parametric Tester Versatile Subscriber Station Tester (VST)... 101 5.9.1. Η Χρήση του VST... 101 5.9.2. Βασικά Χαρακτηριστικά... 102 5.10. LTE Test Tool... 102 5.10.1. Βασικά Χαρακτηριστικά... 102 5.11. Handheld XCAL... 103 5.11.1. Βασικά Χαρακτηριστικά... 103 5.11.2. Βασικές Πληροφορίες... 103 5.12. XCAP... 104 5.12.1. Βασικά Χαρακτηριστικά... 104 5.13. XCAL - MO... 105 5.13.1. Βασικά Χαρακτηριστικά... 105 5.13.2. Βελτιστοποίηση Δικτύου LTE απ άκρο σ άκρο.... 105 5.14. Measurement Lab... 105 5.15. 6QM... 109 5.16. QoSMeT... 110 5.17. Network Access Neutrality Observatory... 111 6. Android Περιγραφή Εφαρμογής... 113 6.1. Εισαγωγή... 113 6.2. Η Αρχιτεκτονική του Android.... 114 6.2.1. Εφαρμογές... 114 6.2.2. Πλαίσιο Εφαρμογών... 114 6.2.3. Βιβλιοθήκες... 115 6.2.4. Χρόνος Εκτέλεσης του Android... 115

Σελίδα 11 6.2.5. Πυρήνας Linux... 116 6.3. Ιστορική Αναδρομή των Εκδόσεων... 116 6.4. Δομή Εφαρμογής... 117 6.4.1. Processes και Threads... 117 6.4.2. Applications and Tasks... 117 6.5. Σύστημα Δυναμικής Δειγματοληψίας WhereAmI... 118 6.5.1. Η εφαρμογή WhereAmI... 118 5.5.2. Υλοποίηση του Συστήματος... 129 5.6. Διάρθρωση Συστήματος... 151 6. Παράρτημα - Πηγαίος Κώδικας Εφαρμογής... 156 7. Βιβλιογραφία - Αναφορές... 225

Σελίδα 12 Περίληψη Σε μια εποχή όπου σημειώνεται ραγδαία εξέλιξη και ανάπτυξη στον τομέα των τηλεπικοινωνιών και ειδικότερα των δικτύων κινητής τηλεφωνίας και των υπηρεσιών που αυτά υποστηρίζουν, οι χρήστες απαιτούν μια συνεχώς αυξανόμενη αλλά και εγγυημένη ποιότητα υπηρεσιών και εξυπηρέτησης. Η μετάβαση από υπηρεσίες απλής φωνητικής επικοινωνίας, σε πολύπλοκες υπηρεσίες ανταλλαγής δεδομένων οδήγησαν τους παρόχους να στρέψουν το ενδιαφέρον τους όχι μόνο στην εξέλιξη, αναβάθμιση και ανάπτυξη των δικτύων τους αλλά και στην συνεχή παρακολούθηση του. Για το λόγο αυτό, συστήματα παρακολούθησης της συμπεριφοράς αλλά και της κίνησης των δικτύων κινητής τηλεφωνίας έχουν κάνει αισθητή την παρουσία τους τα τελευταία χρόνια κερδίζοντας ολοένα και περισσότερο το ενδιαφέρον της βιομηχανίας κινητής τηλεφωνίας. Ως κύριος στόχος των συστημάτων αυτών είναι η καταγραφή της ποιότητας υπηρεσιών που λαμβάνει ο χρήστης πελάτης της εταιρείας. Τα αποτελέσματα χρησιμοποιούνται από τους διαχειριστές των δικτύων αλλά και τους παρόχους υπηρεσιών για τη βελτίωση της ποιότητας εμπερίας των πελατών τους. Έτσι η ανάγκη για ανάπτυξη συστημάτων παρακολούθησης δικτύων κινητής τηλεφωνίας γίνεται όλο και μεγαλύτερη. Σημαντικός παράγοντας για την ανάπτυξη τέτοιον συστημάτων ήταν η εμφάνιση έξυπνων συσκευών κινητής τηλεφωνίας, γνωστών και ως smart phones και ειδικότερα καινοτόμων λειτουργικών συστημάτων όπως το Android. Το Android είναι ένα λογισμικό ανοιχτού κώδικα, το οποίο υποστηρίζεται πλήρως από την εταιρεία Google. Στο λογισμικό αυτό μπορείο οποιοσδήποτε χρήστης να αναπτύξει τη δική του εφαρμογή σύμφωνα με τις ανάγκες αλλά και τις επιθυμίες του. Βασικό χαρακτηριστικό στοιχείο του Android, που το κάνει ιδανικό για ανάπτυξη συστημάτων καταγραφής κινητών δικτύων είναι η υποστήριξη υπηρεσιών εντοπισμού θέσης. Με τοντρόπο αυτό γίνεται παράλληλα αντιστοίχιση της ποιότητας υπηρεσιών ενός δικτύου με την ακριβή τοποθεσία του κινητού. Έτσι δημιουργείται ένας χάρτης πληροφοριών για την ποιότητα των υπηρεσιών που αντιλαμβάνονται οι χρήστες σε όλη την έκταση του δικτύου. Στα πλαίσια της συγκεκριμένης διπλωματικής αναπτύχθηκε ένα σύστημα καταγραφής της ποιότητας του δικτύου μιας εταιρείας κινητής τηλεφωνίας. Το σύστημα αυτό επιτρέπει στο χρήστη να εκτελέσει δυναμική δειγματοληψία του δικτύου κινητής τηλεφωνίας τόσο ως προς το χρόνο όσο και ως προς τον χώρο. Επίσης δίνεται η δυνατότητα για δειγματοληψία με βάση την ταχύτητα του κινητού, ενώ παράλληλα το σύστημα επιτρέπει την αποθήκευση των καταγραφών σε βάση δεδομένων καθώς και την κρυπτογράφηση τους για ασφαλή μεταφορά σε απομακρυσμένο server. Λέξεις Κλειδιά Ποιότητα Υπηρεσίας, Ποιότητα Δικτύου, Μέτρηση Ισχύος Σήματος, Android, Δυναμική Δειγματοληψία Δικτύου, Σύμφωνα Επιπέδων Εξυπηρέτησης

Σελίδα 13 Abstract In an era where there is rapid growth and development in telecommunications and especially mobile telephony networks and services they support, users require an ever increasing and guaranteed quality of products and services. The transition from simple voice services, to complex data exchange services led providers to focus their interest not only in evolving, upgrading and developing their networks but also to continuous monitoring. In the frame of network maintenance, systems that monitor the behavior and traffic of mobile networks have made their presence felt in recent years winning more and more interest in mobile phone industry. The primary goal of these systems is set to recording quality of services received by the user - customer of the mobile phone company. The results are used by network operators and service providers to improve the customer s quality of experience. Thus the need to develop monitoring systems of mobile networks is increasing. An important factor for the development of such systems was the emergence of intelligent mobile devices known as smart phones and especially innovative operating systems such as Android. The Android is open source software, which is fully supported by the company Google. In this software any user is able to develop his own application in accordance with his needs and desires. A key feature of Android, which makes it ideal for building systems that capture and monitor mobile networks, is the support location based services. Using Location Detection Services in parallel with network monitoring a very important corresponding is created between network quality and location of the mobile terminal. This creates a map full of information on the quality of service perceived by users across the network. The scope of this diploma thesis is to develop a system able to record the network quality of a mobile phone company. This system allows the user to perform dynamic sampling of mobile network parameters both in time and in space. Also the system allows the user to perform sampling based on the speed of the mobile, while in the same time it allows the storage of records in a database and encrypts them for safe transfer to a remote server. Key Words Quality of service, Network Quality, RSSI measurement, Android, Dynamic Network Sampling, Service Level Agreements

Σελίδα 14 1. Γενικά για την Ποιότητα Υπηρεσιών 1.1. Εισαγωγή Η ερμηνεία του όρου ποιότητα υπηρεσιών λαμβάνει διαφορετικές εκδοχές, αναλόγως το αντικείμενο με το οποίο σχετίζεται ή περιγράφει [5]. Όσοναφορά την δικτύωση υπολογιστών, αλλά και γενικά τα τηλεπικοινωνιακά συστήματα, με τον όρο ποιότητα υπηρεσίας ή αλλιώς Quality of Service (QoS), όπως θα την αναφέρουμε συχνά στο κείμενο, περιγράφουμε τους μηχανισμούς ελέγχου για την εξοικονόμηση πόρων, αλλά και την ταυτόχρονη επιτυχημένη παροχή υπηρεσιών. Με τον όρο αυτό, κυρίως αναφερόμαστε στον σχεδιασμό, αλλά και στην υλοποίηση ενός πλάνου, που θέτει ως στόχο την εγγυημένη παροχή υπηρεσιών ή συγκεκριμένων προδιαγραφών λειτουργίας, για μια υπηρεσία ή εφαρμογή. Επίσης, αναφερόμαστε και στους μηχανισμούς με τους οποίους πραγματοποιείται το πλάνο αυτό, όπως είναι οι μηχανισμοί για τον καθορισμό προτεραιότητας ανάμεσα σε διαφορετικές ροές δεδομένων, διαφορετικούς χρήστες, αλλά και διαφορετικές εφαρμογές. Αν θέλαμε να αναφέρουμε παραδείγματα παραγόντων που επιδρούν καταλυτικά στον καθορισμό, αλλά και στην εκτίμηση της QoS, θα έπρεπε να αναφέρουμε κυρίως κάποια από τα χαρακτηριστικά μεγέθη τα οποία αναλόγως με τις τιμές τους καθορίζουν αν θα έχουμε μια ασφαλή και ορθή μετάδοση δεδομένων και ως συνέπεια μια ολοκληρωμένη παροχή υπηρεσίας ή όχι. Έτσι ένας απαιτούμενος ρυθμός μετάδοσης δεδομένων, η δικτυακή καθυστέρηση στην οποία υπόκεινται τα πακέτα, η απόρριψη πακέτων δεδομένων, αλλά και άλλα μεγέθη που αναλύουμε στην συνέχεια είναι αυτά τα οποία καθορίζουν το επίπεδο υπηρεσιών που παρέχονται σε έναν πελάτη. Είναι θεμελιώδες να αναφέρουμε τη μεγάλη διαφορά ανάμεσα σε δίκτυα και υπηρεσίες βέλτιστης προσπάθειας (best effort services or networks) τα οποία δεν είναι εν γένει δυνατό να υποστηρίξουν παροχή ποιότητας υπηρεσίας στην έκταση τους και σε δίκτυα που σχεδιάζονται και κατασκευάζονται με σκοπό να εξυπηρετήσουν και να υποστηρίξουν QoS στους χρήστες τους. Η βασική διαφορά έγκειται στην ύπαρξη μηχανισμών παρακολούθησης, καταγραφής και ελέγχου της δικτυακής κίνησης. Οι μηχανισμοί λειτουργούν με τέτοιο τρόπο, ώστε να μειώνονται στο ελάχιστο οι πιθανότητες για συμφόρηση του δικτύου και κατ επέκταση για σύγκρουση μεταδιδόμενων πακέτων, αλλά και εξυπηρέτησης και εγκατάστασης νέων συνδέσεων. Όσον αφορά τον τηλεπικοινωνιακό κλάδο, η υπεύθυνη αρχή για τον καθορισμό αλλά και την συνολική αποτίμηση της ποιότητας υπηρεσιών είναι η Διεθνής Ένωση Τηλεπικοινωνιών (International Telecommunication Union ITU). Η εκτίμηση της ποιότητας υπηρεσίας μιας σύνδεσης γίνεται κοιτώντας τη σύνδεση σφαιρικά και αποτιμώντας τις απαιτήσεις που έχουν όλα τα συμβαλλόμενα μέλη. Σε πολλές περιπτώσεις, χρησιμοποιείται και ως μετρικό μέγεθος για την ποιότητα των παροχών που θα λάβει ένας πελάτης, και αυτό γιατί η ποιότητα υπηρεσιών καθορίζεται από τη λαμβανόμενη ποιότητα του πελάτη και όχι από την προσφερόμενη ποιότητα του πάροχου. Για παράδειγμα, υπάρχει ένα κάτω όριο εγγυημένης ποιότητας υπηρεσίας που θα πρέπει να λάβει ένας πελάτης, αλλά και ένα άνω όριο το οποίο θα εγγυάται την εξοικονόμηση πόρων, αλλά και την σωστή διαχείριση του δικτύου. Είναι βασικό να αναφέρουμε, πως η έννοια της ποιότητας υπηρεσίας από την πλευρά των χρηστών και την πλευρά των σχεδιαστών δικτύων αποκλίνει. Από την πλευρά του παρόχου υπηρεσιών διαδικτύου Internet Service Provider (ISP), η QoS προσεγγίζεται σαν την παρουσία και την εξέλιξη μηχανισμών σε επίπεδο συστήματος. Παρ όλα αυτά δεν είναι και

Σελίδα 15 τόσο βέβαιο πως οι βελτιώσεις αυτές θα είναι ευδιάκριτες και από την πλευρά του χρήστη. Βέβαια από την άλλη πλευρά, η αντίληψη για την ποιότητα υπηρεσίας, που είναι ικανοποιητική ή ανεκτή από έναν χρήστη, διαφέρει από χρήστη σε χρήστη. Για το λόγο αυτό, έχουμε πολλά και διαφορετικά επίπεδα ποιότητας υπηρεσίας, τα οποία και παρέχονται στους χρήστες συνήθως με διαφορετικό οικονομικό αντίκρισμα. 1.2. Βασικά χαρακτηριστικά της κίνησης Όσον αφορά τα δίκτυα μεταγωγής πακέτου, υπάρχουν πολλοί παράγοντες [1] που διαμορφώνουν την ποιότητα υπηρεσίας για μια σύνδεση [5]. Ταυτόχρονα αποτελούν και τα βασικά χαρακτηριστικά τα οποία βιώνει και η μεταφορά ενός πακέτου, από τον αποστολέα στον παραλήπτη. Αναφορικά θα μπορούσαμε να αναφέρουμε πως τα βασικότερα είναι τα εξής ακόλουθα [9]. Χαμηλή Διέλευση Low Throughput: Με τον όρο αυτό αναφερόμαστε πρακτικά στην ευκολία ή στη δυσκολία για την μετάδοση πακέτων μέσα στο δίκτυο. Λόγω της μεγάλης συμμετοχής χρηστών σε ένα δίκτυο και αντίστοιχα και του μεταδιδόμενου φόρτου δεδομένων, είναι συχνό φαινόμενο να αντιστοιχεί πολύ μικρός ρυθμός μετάδοσης bit σε κάθε χρήστη ή σε κάθε υπηρεσία. Το φαινόμενο αυτό με τη σειρά του οδηγεί σε μια ικανοποιητική λειτουργία μιας εφαρμογής και αντίστοιχα σε μια κακής ποιότητας υπηρεσίας σύνδεση. Απώλεια πακέτων Packet Loss: Οφείλεται κυρίως στην ανικανότητα ενδιάμεσων δρομολογητών να παραδώσουν ορισμένα πακέτα, αλλά και στην ύπαρξη σφαλμάτων στα δεδομένα πακέτων. Ο υπολογισμός γίνεται θεωρώντας ως χαμένο κάθε πακέτο το οποίο δεν ανήκει σε μια χρονική αντιστοιχία άφιξης σε σχέση με το πακέτου ελέγχου. Διάρκεια Διακοπής Σύνδεσης: Υπολογίζεται από την διάρκεια των συνεχόμενων χαμένων πακέτων. Έτσι η ανάλυση της διάρκειας διακοπής είναι άμεσα εξαρτημένη από τον ρυθμό μετάδοσης της καταγεγραμμένης ροής. Απόλυτη Διασπορά στην Καθυστέρηση Πακέτων Absolute Jitter: Είναι η διαφορά στην καθυστέρηση ανάμεσα σε διαδοχικά πακέτα. Η αιτία για την εμφάνιση της διασποράς οφείλεται κυρίως στην ποικιλομορφία των εμποδίων, που συναντά ένα πακέτο κατά τη διάρκεια της μεταφοράς του από τον αποστολέα στον παραλήπτη. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η διαφορετική θέση σε ουρές ενδιάμεσων δρομολογητών που λαμβάνει κάθε πακέτο, αλλά και το διαφορετικό φορτίο το οποίο θα συναντήσει στο δίκτυο. Καθυστέρηση Delay: Ίσως ένα από τα σημαντικότερα μεγέθη που παρουσιάζεται σε μία σύνδεση. Συμβαίνει συνήθως σε περιπτώσεις υψηλού φόρτου δικτύου και μπορεί να δημιουργηθεί υπό προϋποθέσεις ακόμη και σε περιπτώσεις υψηλής διέλευσης. Λόγω του χαρακτήρα των υπηρεσιών που καλείται ένα δίκτυο να υποστηρίξει, είναι βασική η μείωση όσο το δυνατό της καθυστέρησης παράδοσης πακέτων. Πολλές υπηρεσίες, όπως η Voice over Internet Protocol - VoIP που θα αναφέρουμε και στη συνέχεια, είναι εξαιρετικά ευαίσθητες στην καθυστέρηση που θα υποστούν τα μεταδιδόμενα πακέτα.

Σελίδα 16 1.3. Ποιότητα Υπηρεσιών Ασύρματων και Κινητών Δικτύων Από την εμφάνισή τους το 1970, τα κινητά ασύρματα δίκτυα έχουν γίνει όλο και περισσότερο δημοφιλή στην βιομηχανία των υπολογιστών. Αυτό έχει γίνει ιδιαίτερα εμφανές την περασμένη δεκαετία, στην οποία τα ασύρματα δίκτυα προσαρμόστηκαν στην επιτρεπτή κινητικότητα των κόμβων. Υπάρχουν δύο είδη ασύρματων δικτύων. Το πρώτο είναι γνωστό σαν δομημένο δίκτυο, ένα δίκτυο με σταθερές και συνδεδεμένες, με καλώδιο, πύλες. Οι γέφυρες (bridges) αυτών των δικτύων είναι γνωστές σαν σταθμοί βάσης (base stations). Η κινητή μονάδα αυτών δικτύων συνδέεται και επικοινωνεί με το κοντινότερο σταθμό βάσης, που βρίσκεται μέσα στην ακτίνα επικοινωνίας του. Καθώς το κινητό μεταφέρεται από το εύρος ενός σταθμού, στο εύρος ενός άλλου μεταφέρεται και η σύνδεση από τον παλιό σταθμό στον καινούριο, με αποτέλεσμα το κινητό να συνεχίζει να επικοινωνεί, όμοια με πριν, μέσα στο δίκτυο. Τυπική εφαρμογή αυτών των δικτύων παρατηρούμε στα ασύρματα τοπικά δίκτυα (WLANs). Το δεύτερο είδος τουασύρματουκινητού δικτύου είναι το μη-δομημένο ασύρματο (Infrastructure less) δίκτυο, γνωστό και ως ασύρματο κινητό δίκτυο ad-hoc (wireless mobile ad-hoc network, ΜΑΝΕΤ). Τα Ad-hoc δίκτυα δεν έχουν κανένα σταθερό δρομολογητή, όλοι οι κόμβοι είναι ικανοί να κινηθούν και να συνδεθούν δυναμικά με έναν αυθαίρετο τρόπο. Οι κόμβοι αυτών των δικτύων λειτουργούν σαν δρομολογητές, οι οποίοι ανακαλύπτουν και διατηρούν τη δρομολόγηση τους στους άλλους κόμβους του δικτύου. Παραδείγματα εφαρμογών ενός MANET αποτελούν οι επείγουσες επιχειρήσεις διάσωσης, οι στρατιωτικές επεμβάσεις, καθώς και οι συνεδριάσεις ή συζητήσεις, στις οποίες τα άτομα επιθυμούν να μοιράζονται γρήγορα πληροφορίες. Ι) WLAN

Σελίδα 17 II)MANET Εικόνα 1. Διαφορά ανάμεσα σε Δομημένα Δίκτυα (πχ. WLAN) και MANET. Πηγή:www.cisco.com και www.personal.psu.edu Στο κεφάλαιο που ακολουθεί, θα αναλύσουμε τα κυψελωτά συστήματα και δίκτυα και ειδικότερα θα δούμε τους μηχανισμούς, που βοηθούν στην αύξηση της ποιότητας υπηρεσιών που παρέχονται. Τα κυψελωτά δίκτυα βρίσκουν άμεση εφαρμογή στις κινητές επικοινωνίες, όπως τις γνωρίζουμε σήμερα. Έτσι τα συστήματα αυτά αίρουν το βάρος της ευθύνης, τόσο για ορθή ποιότητα υπηρεσιών ομιλίας όσο και για σωστή και γρήγορη περιήγηση στο Internet.

Σελίδα 18 2. Ποιότητα Υπηρεσιών σε Κυψελωτά Δίκτυα 2.1. Εισαγωγή Η αύξηση της χρήσης των κινητών τηλεφώνων αλλά αντίστοιχα και των χρηστών κινητής τηλεφωνίας έφερε στο προσκήνιο την ανάγκη για ανάπτυξη υπηρεσιών και εφαρμογών, οι οποίες θα ξεπερνούσαν τα όρια των υπηρεσιών ομιλίας και θα εμπλούτιζαν τα δίκτυα με υπηρεσίες βίντεο, περιήγησης στο διαδίκτυο αλλά και υπηρεσίες αποστολής και λήψης δεδομένων γενικότερα. Για το λόγο αυτό τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας ξεκίνησαν να υποδέχονται νέες τεχνολογίες για την υποστήριξη του συνεχώς αυξανόμενου φορτίου αλλά και απαιτήσεων. Η μετάβαση ανάμεσα σε διαφορετικού τύπου τεχνολογίες χαρακτηρίστηκε ως γενιά. Έτσι ενώ ξεκινήσαμε από δίκτυα που χρησιμοποιούσαν τεχνολογίες πρώτης γενιάς, κυρίως αναλογικά συστήματα (1G), μεταφερθήκαμε σταδιακά σε δίκτυα τεχνολογιών δεύτερης (2G), τρίτης (3G) και εν τέλει τέταρτης γενιάς (4G). Η ανάπτυξη και εξέλιξη των δικτύων κινητής τηλεφωνίας έδωσε πρόσφορο έδαφος, όπως είπαμε, για τη δημιουργία υπηρεσιών με μεγαλύτερο φόρτο για το δίκτυο αλλά και με μεγαλύτερες απαιτήσεις από αυτό. Σαν αποτέλεσμα οι χρήστες των υπηρεσιών αυτών απαιτούσαν ολοένα και μεγαλύτερους ρυθμούς μετάδοσης αλλά και πιο ολοκληρωμένη εξυπηρέτηση από τις εταιρείες. Οι συνθήκες αυτές εισήγαγαν το μέγεθος της ποιότητας υπηρεσίας ή αλλιώς της QoS στα κυψελωτά αλλά και γενικά στα ασύρματα δίκτυα. Στο κεφάλαιο αυτό θα γίνει ανάλυση του δικτύου UMTS. Η ανάλυση θα περιλαμβάνει τόσο την αρχιτεκτονική του δικτύου όσο και της περιγραφή των μηχανισμών που χρησιμοποιούνται για την μετάδοση πληροφοριών και την υποστήριξη υπηρεσιών. Το δίκτυο UMTS ανήκει στα δίκτυα τρίτης γενιάς. Επιλέξαμε την ανάλυση του λόγο της καθολικότητας του, αφού είναι πλέον ένα από πιο εξαπλωμένα δίκτυα, τόσο στην Ελλάδα όσο και στο εξωτερικό. 2.2. Ορισμός Η QoS σε κυψελωτά δίκτυα ορίζεται σαν την ικανότητα των παρόχων μιας κυψελωτής υπηρεσίας να δίνουν μια ικανοποιητική υπηρεσία, η οποία να περιλαμβάνει ποιότητα φωνής, δύναμη σήματος, μικρό ποσοστό φραγής για τις κλήσεις, καθώς και μικρή πιθανότητα απόρριψης, υψηλές ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων για πολυμέσα και εφαρμογές δεδομένων. Για υπηρεσίες βασισμένες στο διαδίκτυο, η QoS όπως έχουμε προαναφέρει εξαρτάται από τους παρακάτω παράγοντες: Διέλευση (Throughput): Ο ρυθμός με τον οποίο τα πακέτα κινούνται στο δίκτυο. Ο μεγαλύτερος ρυθμός είναι φυσικά πάντα προτιμότερος. Καθυστέρηση (Delay): Είναι ο χρόνος τον οποίο ένα πακέτο χρειάζεται, για να πάει από τον αποστολέα στον παραλήπτη. Προτιμάται πάντα μια ελάχιστη καθυστέρηση. Ρυθμός Απώλειας Πακέτων (Packet Loss Rate): Είναι ο ρυθμός με τον οποίο χάνονται πακέτα. Το μέγεθος αυτό πρέπει να είναι όσο το δυνατό μικρότερο. Αξιοπιστία (Reliability): Η ικανότητα για την επίτευξη μιας σύνδεσης. Όπως γίνεται κατανοητό η ικανοποιητική υποστήριξη μιας υπηρεσίας είναι απαιτητική και πολύπλευρη αφού θέτει ως δεδομένο της εκπλήρωση των παραπάνω παραγόντων. Η

Σελίδα 19 πρόκληση έγκειται στην αλληλένδετη επίδραση που έχει ο ένας παράγοντας πάνω στον άλλο, αφού οι σχέσεις τους μπορούν να χαρακτηριστούν ως σχέσεις αντιστρόφως ανάλογων ποσών. 2.2.1. Γιατί χρειαζόμαστε την ποιότητα υπηρεσιών Αν φανταστούμε μια κατάσταση, στην οποία μπορούμε μετά βίας να ακούσουμε το συνομιλητή στην άλλη άκρη της γραμμής του τηλεφώνου ή ακόμη και αν σκεφτούμε μια κατάσταση διακοπής κλήσης κατά τη διάρκεια της κίνησης μας, τότε σίγουρα θα καταλάβουμε γιατί είναι απαραίτητη η QoS. Αυτές οι καταστάσεις είναι προφανώς ανεπιθύμητες και σίγουρα το οικονομικό αντίκρισμα, το οποίο πληρώνουν οι χρήστες, θα έπρεπε να είναι ανάλογο με την ποιότητα υπηρεσίας την οποία και απολαμβάνουν. Η επικοινωνία παίζει ένα απίστευτα σημαντικό ρόλο στις μέρες μας και η υποστήριξη της, καθώς και η εξέλιξή της, απαιτούν να δοθεί μεγάλη προτεραιότητα στην ποιότητα υπηρεσιών που αυτή προσφέρει. Είναι σημαντικό να διαφοροποιήσουμε (ταξινομήσουμε) την κίνηση [17], η οποία βασίζεται σε ένα επίπεδο προτεραιότητας. Κάποιες κλάσεις κίνησης μπορούν να λάβουν υψηλότερη προτεραιότητα από κάποιες άλλες. Για παράδειγμα στις υπηρεσίες φωνής (τηλεφωνικές συνομιλίες) θα πρέπει να δίνεται μεγαλύτερη προτεραιότητα σε σχέση με την κίνηση πακέτων, αφού η «φωνή» θεωρείται μέχρι και σήμερα σαν η πιο σημαντική υπηρεσία. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι πελάτες, που πληρώνουν περισσότερα για να πάρουν μια υπηρεσία καλύτερης ποιότητας, θα πρέπει να λάβουν ιδιαίτερη μεταχείριση ανάλογη των χρημάτων που καταβάλουν, χωρίς βέβαια αυτό να επηρεάζει και να υποβαθμίζει τους υπόλοιπους πελάτες. 2.2.2. Προκλήσεις Ποιότητας Υπηρεσίας Στα ασύρματα κινητά δίκτυα, η QoS αναφέρεται στην μέτρηση ενός συστήματος με καλή ποιότητα μετάδοσης, διαθεσιμότητα της υπηρεσίας, αλλά και ελάχιστη καθυστέρηση. Στα δίκτυα 4G αναμένεται να έχουμε αξιοπιστία τουλάχιστον 99.999%, η οποία ονομάζεται και ως αξιοπιστία πέντε εννέα. Οι μεγαλύτερες προκλήσεις, όταν αναφερόμαστε στην ποιότητα υπηρεσιών σε ασύρματα κυψελωτά δίκτυα, είναι ο ποικίλος ρυθμός των χαρακτηριστικών του κάθε καναλιού, o καταμερισμός του εύρους ζώνης, τα επίπεδα ανοχής σε σφάλματα και η υποστήριξη ανάμεσα σε ετερογενή ασύρματα δίκτυα. Είναι πολύ βασικό το γεγονός ότι κάθε επίπεδο (Φυσικό, ΜΑC, IP, TCP και Στρώμα Εφαρμογής), έχει τους δικούς του μηχανισμούς για την παροχή μιας QoS. Είναι επίσης σημαντικό, να εξασφαλισθεί η ποιότητα υπηρεσίας σε κάθε στρώμα, έτσι ώστε το δίκτυο να είναι πιο ευέλικτο και ανεκτικό σε θέματα ποιότητας υπηρεσίας. Κάποιες από τις άλλες προκλήσεις είναι η αποδοτική χρήση του φάσματος, λόγω της μείωσης της προσφοράς του. Ο καταμερισμός του εύρους ζώνης διαδραματίζει έναν τεράστιο ρόλο, αναφορικά με αυτό το θέμα [17]. Πρέπει να γίνει κατανοητό ότι το εύρος ζώνης θα πρέπει να μοιράζεται με αποδοτικό τρόπο και επιπλέον το πλεονάζον εύρος ζώνης δεν θα πρέπει να ξοδεύεται ή να παραμένει αχρησιμοποίητο. Κάποια μοντέλα, όπως αυτό της επαναδιαπραγμάτευσης, εξαλείφουν αυτό το θέμα, με τον διαμοιρασμό του εναπομείναντος εύρους ζώνης σε κλάσεις μικρότερης προτεραιότητας.

Σελίδα 20 Τα πράγματα γίνονται ακόμη πιο περίπλοκα, όταν υπηρεσίες φωνής και δεδομένων πρέπει να στηριχθούν πάνω στο ίδιο δίκτυο. Οι υπηρεσίες φωνής είναι εξαιρετικά ευαίσθητες σε καθυστέρηση και απαιτούν υπηρεσίες πραγματικού χρόνου. Από την άλλη πλευρά, οι υπηρεσίες δεδομένων μπορεί να είναι λιγότερο ευαίσθητες στο επίπεδο της καθυστέρησης, αλλά είναι πολύ ευαίσθητες στην απώλεια δεδομένων και, επιπλέον, αναμένουν πακέτα χωρίς λάθη στα δεδομένα τα οποία μεταφέρουν. Έτσι, και οι δύο αυτοί οι παράγοντες πρέπει να ληφθούν υπ όψιν για την παροχή QoS, τόσο για υπηρεσίες φωνής όσο και για υπηρεσίες δεδομένων. 2.2.3. Τι έχει γίνει μέχρι τώρα στον τομέα της Ποιότητας Υπηρεσίας Στα δίκτυα πρώτης γενιάς 1G και στα δίκτυα δεύτερης γενιάς 2G, όπως είναι τα δίκτυα GSM, CDMA υπήρχε μόνο μία πλευρά της QoS και αυτή στηριζόταν στην παροχή καλύτερης ποιότητας υπηρεσιών τηλεφώνου (voice services), καθώς δεν είχαμε μεταφορά δεδομένων. Η προσφορά ποιότητας ομιλίας ήταν η μεγαλύτερη ανησυχία. Τώρα στα δίκτυα τρίτης γενιάς 3G, η ποιότητα υπηρεσιών πρέπει να παρέχεται, τόσο καλά στη φωνή όσο και στα δεδομένα. Σίγουρα δίνεται ακόμη μεγαλύτερη προτεραιότητα στις υπηρεσίες ομιλίας, αφού θεωρούνται πρωταρχικές υπηρεσίες. Είναι όλες ευαίσθητες στην καθυστέρηση και όλες απαιτούν υπηρεσίες πραγματικού χρόνου. Οι υπηρεσίες δεδομένων αποτελούνται από κείμενο και πολυμέσα. Αυτές οι υπηρεσίες είναι, όπως προαναφέραμε, λιγότερο ευαίσθητες στην καθυστέρηση, αλλά απαιτούν αυξημένα επίπεδα διέλευσης και πολύ μικρότερο αν όχι μηδενικό ρυθμό απωλειών. Για την μελέτη της επίδρασης των χαρακτηριστικών ενός κυψελωτού δικτύου σε μια υπηρεσία, αλλά και στην γενικότερη ποιότητα εξυπηρέτησης υπηρεσιών που παρέχονται, επιλέξαμε να παραθέσουμε το παράδειγμα ενός συστήματος UMTS, το οποίο είναι από τα πιο χαρακτηριστικά παραδείγματα συστημάτων που εφαρμόζονται σε δίκτυα τρίτης γενιάς. Η δυνατότητα που έχει στην υποστήριξη υπηρεσιών, τόσο ομιλίας όσο και δεδομένων, το καθιστούν άριστο παράδειγμα μελέτης και ανάλυσης. Το UMTS ή Universal Mobile Telecommunications System είναι ίσως ένα από τα πιο χαρακτηριστικά συστήματα, που χρησιμοποιούν τεχνολογία τρίτης γενιάς. Το γεγονός ότι στηρίζεται στο WCDMA (Wideband Coded Division Multiple Access) μοντέλο, του δίνει τη δυνατότητα να υποστηρίζει μεγάλες ταχύτητες αποστολής, αλλά και λήψης δεδομένων. Χρησιμοποιεί πλαίσια χρόνου, που έχουν μήκος 10ms, ενώ το κάθε χρονοπλαίσιο διαθέτει 15 χρονοσχισμές. Έτσι, το UMTS έχει τη δυνατότητα υποστήριξης υψηλών ρυθμών μετάδοσης, που ανάλογα με την υλοποίηση, αλλά και τις συνθήκες, μπορούν να φτάσουν τα 384kbps αλλά ακόμη και τα 2Mbps.

Σελίδα 21 2.3. Ποιότητα Υπηρεσιών σε Δίκτυο Τρίτης Γενιάς Ανάλυση Μηχανισμών και Χαρακτηριστικών 2.3.1. Αρχιτεκτονική Ποιότητας Υπηρεσίας σε UMTS δίκτυο Μια υπηρεσία απ άκρο σ άκρο υποθέτει ότι η επικοινωνία λαμβάνει χώρα από έναν τερματικό εξοπλισμό σε έναν άλλο [4]. Στον χρήστη μια δικτυακής υπηρεσίας παρέχεται μια ποιότητα υπηρεσιών, και είναι ο χρήστης αυτός που θα αποφασίσει αν είναι ικανοποιημένος με αυτή η QoS ή όχι. Μια υπηρεσία μεταφοράς, με καθαρά ορισμένα χαρακτηριστικά και διαδικασίες, πρέπει να τεθεί σε λειτουργία από την πηγή έως τον προορισμό, για να μπορεί να ανταποκριθεί με τις απαιτήσεις της ποιότητας υπηρεσίας. Η αρχιτεκτονική των υπηρεσιών μεταφοράς για τα δίκτυα UMTS φαίνονται στην παρακάτω εικόνα. Οι υπηρεσίες μεταφοράς προσφέρουν QoS, η οποία βασίζεται στα υποδεεστέρα επίπεδα. Εικόνα 2. Αρχιτεκτονική UMTS. Πηγή: www.cse.wustl.edu 2.3.2. Απ άκρη σ άκρη υπηρεσίες και υπηρεσία μεταφοράς UMTS Όπως φαίνεται και στην παραπάνω εικόνα (Εικόνα 2), το επίπεδο υπηρεσιών end - to - end είναι το υψηλότερο επίπεδο της αρχιτεκτονικής QoS. Κάνει δυνατή την επικοινωνία από ένα τερματικό στο άλλο. Παρατηρούμε πως το τερματικό είναι συνδεδεμένο στο δίκτυο UMTS, με μέσα κινητού τερματισμού [4]. Οι υπηρεσίες απ άκρο σ άκρο, οι οποίες και χρησιμοποιούνται από τον τερματικό εξοπλισμό, μπορούν να υλοποιηθούν από τα υποδεέστερα επίπεδα, που ονομάζονται TE/MT Τοπική Υπηρεσία Μεταφοράς (ΤΕ/ΜΤ Local Bearer Service), UΜTS Υπηρεσία Μεταφοράς (UMTS Bearer Service) και Εξωτερική Υπηρεσία Μεταφοράς (External Bearer Service) [17]. Ο χειριστής του UMTS παρέχει υπηρεσίες, που δίνονται από τις υπηρεσίες μεταφοράς του UMTS. Έτσι μπορούμε να καταλάβουμε ότι οι υπηρεσίες μεταφοράς του UMTS είναι αυτές που ουσιαστικά δίνουν την ποιότητα υπηρεσίας στο συγκεκριμένο δίκτυο